机电产品木质包装材料的回收再用与优选加工研究

房友盼，刘 英，徐兆军，於亚斌，王均东

(1.南京林业大学 机电学院，江苏 南京 210037)

(2.江苏江佳机械有限公司，江苏 盐城 224247)

机电产品木质包装材料的回收再用与优选加工研究

房友盼1，刘 英1，徐兆军1，於亚斌1，王均东2

(1.南京林业大学 机电学院，江苏 南京 210037)

(2.江苏江佳机械有限公司，江苏 盐城 224247)

机电产品木质包装材料在有效寿命内被废弃的现象屡见不鲜。为了提高机电产品木质包装材料的利用率，将数字图像处理技术与ANSYS有限元分析技术有机结合，实现了包装箱的无损检测与结构分析。针对缺陷木材，研究了面向缺陷的木材排样问题的最优解。结果表明，排样软件可基本实现木材锯切优选加工。

木质包装材料；无损检测；优选加工

我国是一个人口众多、森林资源相当匮乏的国家。一方面，人均资源的严重短缺制约着我国木材产业的可持续发展；另一方面，大量的包装废弃木材被遗弃，急待再次开发利用。因此，开展废弃机电产品木质包装材料的回收利用在木材工业中潜力巨大，是实现木材资源循环利用、缓解木材供需矛盾的重要手段，具有广阔的市场前景，也是响应国家建设节约型社会号召的必行之策[1]。

木材作为包装材料具有悠久的历史和重要的作用。其优点是：强度高,抗机械损伤能力强，堆垛载荷承载水平高，缓冲性能好，取材广泛,制作容易，易于回收等[1]，尤其适合于机电产品类商品的包装储运。随着我国机械制造业的飞速发展，包装木材的需求也不断增加，木材资源将更为紧缺。因此，开展废弃包装木材的回收利用迫在眉睫。

1 木材无损检测

木材无损检测是一项非破坏性的新兴检测技术，是在不损坏木材原有结构前提下的一种有效的检测方法，能准确、快速地判断出木材的各种信息，是实现木材缺陷检测自动化的一种高效率、智能化的方法[2]。它可以检测木材缺陷的大小、形状、位置，以及缺陷所属类别。目前木材无损检测的方法多种多样，主要有超声波检测、CT检测、机械应力检测、机器视觉检测等[2]。本文采用的是机器视觉检测方法，经过多年的发展，该技术已广泛应用于木材表面无损检测领域。

木材表面缺陷图形采集及处理系统如图1所示，主要由照明系统、CCD摄像机、图像采集卡、计算机图像处理等模块组成。在木材缺陷检测系统中，光源等照明部件是至关重要的组成部分，可以增加系统的可靠性、提高精度、减少噪声，最终达到提高成像质量的目的。木材缺陷检测系统的照明系统设计应该遵循照明度均匀和减少反射的原则。采用高清CCD摄像头直接拍摄试样，传送给图像采集卡，再由计算机对成像图像进行预处理。这种方法的优点是成像快，缺点是对光照要求较高，需要在均匀光照下进行。

根据机器视觉技术，将CCD摄像机作为图像输入设备，图像信号由其传送至计算机，通过A/D 转换电路将模拟信号转换为数字信号，储存于图像处理器中。由于图像处理器中的原始图像在采集和传输过程中不可避免地会受到各种噪声信号的干扰，成像质量较低，导致人眼识别准确度不高，因此需要通过数字图像处理技术对采集到的机电产品木质包装材料的原始图像进行灰度值变换、图像平滑等预处理[3]，减少噪声，提高对比度，以便于后续处理。

图像的后续处理过程首先是图像分割，这是机电产品木质包装材料表面缺陷分析的第一步，也是由图像处理过渡到图像分析的关键步骤，只有在准确的图像分割的基础上才能实现对缺陷目标的特征提取和参数测量。图像分割的方法多种多样，比如灰度等级阈值法、区域生长法、边缘检测法等，究竟哪种方法更适合于机电产品木质包装材料缺陷分析图像的分割，目前尚无准确的结论[4]。由于天然木材固有的纹理特征，分割得到的图像处理结果可能残留一些非预期的噪声，导致分割效果不理想，因此必须经过数学形态学等处理才能获得较为理想的分割图像。数学形态学的基本思想是用具有一定形态的结构元素去量度和提取图像中的对应形状,以达到对图像分析和识别的目的。MATLAB等软件内置的图像处理工具箱具有强大的运算功能，通过使用形态学腐蚀和膨胀、开启和闭合的运算可实现机电产品木质包装材料表面缺陷分割图像的后处理，去除噪声的干扰，提高缺陷提取的精准度[4]。

综上所述，本课题数字图像处理部分的主要内容包括木材表面缺陷图像采集、图像预处理、图像分割、缺陷特征提取、缺陷类型识别等。

2 包装材料的结构分析

机电产品木质包装材料，其力学性能决定了所包装产品在运输过程中的完好性，因而对其进行力学性能的研究非常必要。木材所具有的特殊结构，如多孔性、层次性、各向异性等特性及生物特性使得木材与其他材料如金属材料等相比具有独特性[5]。借助ANSYS有限元分析软件可实现对包装箱材料的力学性能分析。

应用ANSYS软件对机电产品木质包装材料进行模拟分析时，一般的分析流程如图2所示。其中前处理模块包括定义分析文件名、分析类型、单元、材料参数,建立模型以及进行网格划分等过程；求解计算模块包括选择分析类型、定义载荷和求解；后处理模块包括读取数据和查看分析结果[6]。

ANSYS是一款计算机辅助分析软件，分析对象为简单的模型时可直接在软件中建模，但是对于复杂的结构，其建模难度较大，最好由其他三维软件建模后导入到ANSYS软件中。对于机电产品木质包装箱，可在SolidWorks或Pro/E等三维建模绘图软件中完成模型的绘制，然后转换为相应的格式直接导入ANSYS中。对于机电产品包装箱结构，应在三维建模软件环境中完成模型的搭建，再导入ANSYS软件中运行，通过求解模块，对包装箱结构进行静态和动态分析(主要是振动、冲击等模态)，并通过后处理模块查看计算结果。木材作为一种非均质、各向异性的天然高分子材料，在使用ANSYS软件进行有限元分析时，可根据不同需求选择不同的模型定义方法。一般情况下，可选择正交各向异性材料双线性等向强化模型来定义[7]。

对包装箱进行静态分析是因为其在工作过程中主要承载着机电产品对底板的压力作用，同时在运输过程中，会受到外力冲击及自身的惯性载荷(如重力、离心力等)的作用[8]。静态分析的过程具体为：在ANSYS软件中对有限元模型施加载荷，设定边界条件并求解，所求得的结果文件中包含了基本数据(节点位移)和导出数据(节点单元应力、节点单元应变、单元集中力等)。

包装箱作为机电产品运输过程中的承载物，其必然要受到冲击、振动等作用，因此会使包装箱结构产生位移变动、发生扭曲变形等[8]。在运输过程中，包装箱总是受到变化的载荷作用，动载荷较大或与箱体产生共振时，将会直接影响包装箱的性能，甚至对内装物造成挤压以及损坏，因此有必要对包装箱结构振动的固有频率和振型进行研究。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这些模态参数可以由计算或试验分析取得。模态分析就是用来确定结构的振动特性的一种技术。在对包装箱整体结构模型进行静力学分析后，再对其进行模态分析，探索包装箱固有频率对其主要结构和构件的影响，从而可以避开固有频率或尽可能地减小对固有频率上的激励，消除过度的振动和噪声。使用ANSYS软件，可以使振动模态动态化，从而提供一个清晰的动态图像来描述结构在受到激励时的表现。

3 机电产品木质包装材料回收再利用的流程

机电产品木质包装材料回收再利用的具体流程如图3所示。

在对废弃的机电产品木质包装材料进行图像采集的基础上，经过图像处理、特征提取，识别木材中的节子、虫眼、腐朽、裂纹等缺陷，结合包装箱实际使用情况，建立有限元模型，对包装箱部分木材进行力学性能分析，判断该材料能否回收再利用(只有满足力学性能的废弃材料方可回收利用)，以节省原材料，实现木材资源的可持续利用。对于带有缺陷且经过有限元分析后确定无法整块利用的木材，采用自主开发的木材优选加工智能排样软件，求得带缺陷木材排样问题的最优解，既可以最大限度地利用木材，又能大幅度提高木材优选锯切加工的自动化水平。

4 应用实例分析

某汽轮机产品使用的包装箱结构如图4所示，其底板的两端固定在两根纵梁(滑木)上，起着直接承载内装物质量的作用。选取其底板作为实验对象，尺寸为8 000mm×4 000mm。通过机器视觉无损检测方法对底板进行表面缺陷图像采集、图像预处理、图像分割、缺陷特征提取、缺陷类型识别，获得了缺陷的位置及尺寸信息：缺陷的左上角与右下角的坐标分别为(4 000,1 200)，(4 020,1 030)，缺陷近似视为图5中所示的深色小方块。在三维软件中对带有缺陷的整体包装箱结构进行建模，然后导入ANSYS软件中分别进行静态分析和模态分析，结果显示带有缺陷的底板无法满足此包装箱的使用需求，因此对其进行分割，将缺陷切除，“以小代大”重新利用。在面向缺陷的木材锯切优选加工智能排样软件中，输入底板的外形尺寸、缺陷左上角与右下角的坐标以及期望获得的可重复利用的小块木材的尺寸900mm×600mm，点击calculate按钮，即可得到有效利用的木材数量，此结果为排样最优解。再点击drawing按钮，界面上便可显示最优排样的示意图,如图5所示。

5 结束语

为实现机电产品木质包装材料的无损检测及评估，先利用机器视觉技术采集机电产品木质包装材料缺陷(节子、腐朽、虫眼、断裂等)的数字图像，完成图像预处理、图像分割、特征提取、缺陷类型识别等；再利用三维建模软件和有限元分析软件ANSYS，建立基于实际使用情况的包装箱三维数字化实体模型，实现计算机对机电产品包装箱受静载荷和运输过程中的振动等工况的仿真模拟，得到仿真后的相关参数和计算结果，由此来推断木材的力学性能；最后根据机器视觉无损检测方法获得的木材缺陷信息，将经有限元分析后确定无法完整利用的大块木材，采用自主开发的木材优选加工智能排样软件，优选切割成小块后再重新利用，大幅度提高了木材利用率和自动化加工水平。

[1] 苏世伟, 聂影, 杨红强. 关于机电产品包装节材代木发展的思考[J]. 林业经济, 2011(11):50-53.

[2] 刘妍, 张厚江. 木质材料力学性能无损检测方法的研究现状与趋势[J]. 森林工程, 2010, 26(4):46-49.

[3] 金路,王静秋. 基于形态学算法分割铁谱图像研究[J]. 机械制造与自动化,2011,18(3):10-13.

[4] 邹丽晖,白雪冰. 图像分割技术在木材表面缺陷识别中的应用[J]. 森林工程,2007,23(1):27-29.

[5] Liu Y, Gong M, Li L, et al. Width effect on the modulus of elasticity of hardwood lumber measured by non-destructive evaluation techniques [J].Construction and Building Materials,2014,50(15): 276-280.

[6] 杨创战,刘杰,穆慧勇,等. 基于ANSYS的纯弯曲梁正应力仿真分析[J]. 机械制造与自动化,2014,21(1):109-110.

[7] 刘斌,杨燕,唐于维一，等. 浅谈ANSYS软件对木材行业中的材料力学特征分析[J]. 木工机床,2014(2):12-14.

[8] 张毅杰,孔令琼,施杰,等. 基于ANSYS的散料运输车底架的静态及模态分析[J]. 机械制造与自动化,2013,20(5):86-89.

Research on recycling and optimization processing of wood-based packaging materials of mechanical and electrical products

FANG Youpan1,LIU Ying1,XU Zhaojun1, YU Yabin1, WANG Jundong2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing, 210037, China)

(2.Jiangjia Machinery Co., Ltd., Jiangsu Yancheng, 224247, China)

The wood-based packing material for mechanical and electrical products in the effective life time is very common. In order to improve the utilization rate of wood-based packing material for mechanical and electrical products, it realizes nondestructive testing and structural analysis of packing boxes with the organic combination of machine vision technology and finite element analysis software ANSYS. Aiming at wood with defects, it studies optimal solution, shows that layout software can basically realize the optimization machining of wood cutting process.

wood-based packaging materials; nondestructive detection; optimizztion processing

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.013

2015-03-03

江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2013006-01)；国家林业局948项目(2014-4-48)

房友盼(1991—)，女，江苏徐州人，南京林业大学硕士研究生，主要研究方向为木材图像识别及优选、结构设计。

S781.1；TP391.9

A

2095-509X(2015)04-0053-04